Для определения оптимальных характеристик конструкции и режима работы двухъярусной фурмы [1, 2], использующейся для продувки металла и шлака в конвертере, необходимо теоретически проанализировать поведение наклонной струи кислорода О2 для дожигания оксида углерода СО над ванной на основе создания математической модели [3] и оценить уровень изменения коэффициента дожигания СО (ηсо) при различных режимах работы конвертера.
В кислородно-конвертерном агрегате [4,5] c комбинированным дутьем и применением двухъярусной фурмы процесс дожигания СО осуществляется поэтапно струями дутья О2 (Io2, м3/мин) и струями О2 над зоной продувки (Io2дож, м3/мин) во вспененном шлаке над зоной продувки агрегата.
Общий коэффициент дожигания СО (ηсоΣ) струями О2 дутья и дожигания СО равен:
, (1)
где 
- коэффициент дожигания СО за счет действия струй дутья О2 в зоне продувки металла; βо2 = (1-{O2}s) - относительная доля О2, участвующего в горении СО при встрече струй О2 с поверхностью металла; {O2}s - концентрация О2 в струях дожигания СО.
У поверхности раздела газ-металл в зоне продувки полагаем, что равновесная массовая доля СО2 и О2 равна нулю. Баланс О2, созданный струями дожигания СО, выражается следующим равенством:
, (2)
Массовые расходы О2 ( 
) и СО2 ( 
) при взаимодействии струй дожигания с металлом находим, как
mi=k×Sx×xi=Gi×xi, (3)
где mi - массовый расход СО2 или О2 у поверхности раздела газ-металл, кг/с; k - массовая скорость компонента (коэффициент массопередачи), кг/(м2×с); Sx - площадь струй дожигания при ударе о поверхность металла, м2; xi - массовая доля i-газа в струе.
С учетом уравнений (2) и (3) выражение (1) после преобразований приобретает следующий вид:
, (4)
Здесь Gi= k×Sx рассчитывается как функция некоторых физических величин, причем k=ρx×um(x), кг/(м2×с); ρx и um(x) - плотность смеси газовой струи дожигания и ее максимальная скорость при ударе о поверхность металла.
Для дожигания СО у поверхности металла струи О2 должны преодолевать сопротивление встречного потока отходящих из зоны продувки газов.
Результаты обработки опытных данных холодного моделирования [2, 5] позволили установить, что при количестве струй дожигания более четырех (n>4) имеем:
Gi= 1,92×10-3× um(x)2,35×n1,85, (5)
Из анализа уравнения (5) следует, что по мере повышения динамического удара струй дожигания о поверхность металла (um(x) → max) и с увеличением числа этих струй (n>4) массовый расход компонентов (СО2 и О2) и уровень теплопередачи от струй дожигания к металлу возрастают, т.к. с увеличением um(x) возрастают [3, 5] значения чисел Re и Nu для струй в системе встречных газовых потоков.
Эффективный коэффициент использования тепла от дожигания СО в струях кислорода при их ударе о поверхность металла (ηкитсо) в зоне продувки находим по выражению:
, (6)
где 
-теплопоглощение металлом от струй дожигания СО (кДж/кг) и общее количество тепла от дожигания СО вблизи поверхности металла (кДж/кг); Qco- теплота сгорания СО+0,5О2→СО2, кДж/кг О2; 
-тепловой эффект реакции восстановления CO2, кДж/кг СО2; F=π×rх2-площадь каждой струи на поверхности металла, м2. Произведение aΣ×(Tс-Tм) характеризует скорость теплопередачи в системе струя-металл, а величина k×{CO2}s× - потери тепла в зоне продувки в результате реакций восстановления СО2+[С]→2СО, кДж/(м2×с). Коэффициент теплопередачи aΣ=Nu×λ/Lc, при 
, где λ-коэффициент теплопроводности металла, Lc - длина струи дожигания, Re и Pr - число Рейнольдса и Прандтля для струйной системы.
Анализ выражения (6) показывает, что доля эндотермического тепла (k×{CO2}s× ) в результате взаимодействия СО2 с углеродом [C] или железом [Fe] тем выше, чем больше динамический напор (k=ρx×um(x)) ударных струй дожигания у поверхности металла и выше поверхность взаимодействия этих струй с жидким металлом в ванне конвертера.
Отсюда следует важный вывод о нецелесообразности глубокого внедрения струй дожигания в объем жидкого металла, а более эффективным для ηкитсо →1 является обеспечение условий для затухания скорости um(x)→0 вблизи поверхности металла в зоне продувки конвертера.
Выводы. Предложена структура модели дожигания оксида над зоной продувки металла в конвертере. На суммарный коэффициент дожигания СО над зоной продувки влияют: интенсивность продувки металла кислородом (Io2), расход О2 на дожигание (Io2дож), относительная доля О2 (βо2), учитывающая в реакции дожигания СО+0,5 О2=СО2, а также существенное влияние оказывают газодинамические характеристики струй (mi, k, Sx и др.).
Эффективный коэффициент использования тепла ηкитсо определяется теплофизическими характеристиками (Qco, k, aΣ, Tс и Tм) системы встречных газовых потоков над зоной продувки в конвертере.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Меркер Э.Э., Карпенко Г.А. «Эффективность кислородно-конвертерных процессов производства стали с дожиганием СО в отходящих газах». //Изв. ВУЗов. Черная металлургия №4, 2000. с.12-14
- Меркер Э.Э., Карпенко Г.А. «Организация газодинамической защиты над зоной продувки в конвертере с учетом влияния шлака». //Изв. ВУЗов. Черная металлургия №3, 2001. с.18-22.
- Карпенко Г.А., Кожухов А.А., Меркер Э. Э. «Математическая модель дожигания СО над зоной продувки в конвертере». В научно-техническом журнале «Успехи современного естествознания» 2003, №7. Москва РАЕ. С.89-90
- Меркер Э.Э., Карпенко Г.А. «Дожигание СО в конвертере с учетом влияния шлака». //Изв. ВУЗов. Черная металлургия №5, 2001. с.12-16
- Меркер Э.Э. Проблемы дожигания СО и утилизации пыли в конвертере. М.: Металлургия, 1996, 192 с.